一种基于事件驱动的船舶直流电网电压调节方法 |
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申请号 | CN202210071069.8 | 申请日 | 2022-01-21 | 公开(公告)号 | CN114498597B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
申请人 | 上海电器科学研究所(集团)有限公司; 上海电器科学研究院; | 发明人 | 奚培锋; 张人杰; 方文; 聂佳; 毛辰飞; 滕宇; | ||||
摘要 | 本 发明 提供的一种基于事件驱动的 船舶 直流 电网 电压 调节方法,设计建立基于事件驱动的电压响应控制方法,通过对系统机组 节点 进行事件干扰系数预设定、针对预想事件系统有功缺额计算和计及储能设备功率裕度的功率分配优化组成的在线决策优化环节,减缓了系统受事件干扰时因机组一次调节能 力 不足而导致的 母线 电压 波动 ,提升了船舶电力系统的 稳定性 。本发明在设计功率分配优化环节,以SOC正常工作状态为边界条件进行设计,同时也考虑了EVR储能设备的功率裕度,避免了EVR储能设备的过度充放电,延长了EVR储能设备的使用寿命。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于事件驱动的船舶直流电网电压调节方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于事件驱动的船舶直流电网电压调节方法技术领域背景技术[0002] 随着电力推进技术的深入研究和大功率脉冲负载的上船应用,直流电力系统已经成为未来船舶电力系统的重要发展方向。母线电压作为衡量船舶直流电力系统的重要指标之一,其稳定程度能够反应系统内电力供需平衡关系。同步相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)作为电力系统重要设备,通过利用GPS秒脉冲作为同步时钟构成的相量测量单元,对系统运行状态进行同步量测,为稳定分析与控制提供高精度数据。 [0003] 由于船舶电力系统存在线路短、容量大,工况变化快等特性,仅依靠柴油或燃气发电机组的一次调节能力已经不足以克服复杂工况对电力系统带来的冲击。所以,针对船舶直流电网的特性,需要采取恰当的策略及控制方法来保证系统安全、稳定和优质运行。 [0005] 申请公开号为CN110011363A的中国发明专利申请提出了一种风电集群参与电力系统调频的有功功率分配方法,该方法通过功率波动预测值及均值变化的比较判断各风电集群是否具备参与调节的条件。但在该专利申请中,功率分配不均衡,易造成个别集群反复承担大部分功率调节任务,从而影响设备寿命。 [0006] 申请公开号为CN109861303A的中国发明专利申请提出了一种含母线电压补偿和负荷功率动态分配的直流微电网协调控制方法,该专利申请公开的方法通过对二次调节的系数进行修正,使得功率调节结果更精准。但该专利申请忽略了对储能系统功率裕度的考虑,易造成储能系统出力能力无法满足系统有功偏差的情况。 发明内容[0007] 本发明的目的是:针对船舶直流电网特征,利用PMU的测量特性,当电力系统面对重大事件和复杂工况时,建立基于事件驱动的电压响应控制方法(event‑driven voltage response,EVR),减缓母线电压的大幅波动,维持电压稳定,降低系统被迫减载的风险。 [0008] 为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供了一种基于事件驱动的船舶直流电网电压调节方法,其特征在于,包括以下步骤: [0009] 步骤1:实时监测船舶电网运行数据 [0010] 设定系统的低压减载阈值Uu,并实时监测系统的母线电压Ud、各机组节点的有功功率PG,m、各负载节点的有功功率PL,l和各EVR储能设备有功功率出力PEVR,n,其中,m为系统的机组节点个数,l为系统的负载节点个数,n为系统的EVR储能设备台数,EVR表示基于事件驱动的电压响应; [0011] 步骤2:在线地进行功率缺额估计,功率缺额即为EVR需求功率PEVR,req估计,具体包括以下步骤: [0012] 步骤201:若母线电压Ud受事件扰动低于低压减载阈值Uu时,触发减载动作,代表EVR储能设备已达最大出力功率,根据公式(1)计算EVR储能设备最大功率出力PEVR,max,从而获得EVR需求功率PEVR,req: [0013] [0014] 式(1)中,PEVR,max为EVR储能设备最大功率出力,PEVR,max,i为第i台EVR储能设备最大出力功率,n为系统的EVR储能设备台数; [0015] 若母线电压Ud受事件扰动未低于低压减载阈值Uu时,未触发低压减载动作,事件扰动体现在机组出力变化和负载变化,EVR需求功率PEVR,req则为系统内有功功率不平衡,根据公式(2)计算预设事件干扰下的功率缺额: [0016] [0017] 式(2)中,ΔPG为系统的机组节点有功功率之和,ΔPL为系统的负载节点有功功率之和,αG,i为预设事件下第i个机组节点的功率波动系数,PG,i为第i个机组节点当前有功功率,PL,i为第i个负载节点当前有功功率; [0018] 步骤202:进行基于功率波动系数预设定的事件触发器设计; [0019] 机组节点受事件干扰的表现通常为出力降低至离网,则功率波动系数的设定范围为1~0,在[1,0]内以固定步长取功率波动系数的不同值,并进一步设定每一个功率波动系数取值下,事件触发器所触发的事件,其中,当功率波动系数为1时,事件触发器不触发任何事件; [0020] 步骤3:根据步骤201计算得到的EVR需求功率PEVR,req,在线地进行计及储能设备功率裕度的功率分配优化计算,具体包括以下步骤: [0021] 为防止EVR储能设备的过度充放电、延长使用寿命,以EVR储能设备荷电状态的10%~90%为边界条件进行设计,根据公式(3)放电和公式(4)充电对各EVR储能设备有功功率出力目标值进行计算 [0022] [0023] [0024] 式(3)、(4)中,PEVR,i,ref为第i台EVR储能设备有功功率出力指令值,PEVR,i,0为第i台EVR储能设备有功功率出力当前状态采集值,SOCi为第i台EVR储能设备荷电状态,PEVR,E,i为第i台EVR储能设备额定有功功率; [0025] 步骤4:由步骤202设计的事件触发器判断系统内是否需要启动EVR控制策略,若存在,则执行步骤5;若不存在,则返回步骤1,持续监测系统状态; [0026] 步骤5:EVR储能设备根据步骤3得到的功率分配指令进行响应动作; [0027] 步骤6:判断母线电压Ud是否恢复到稳定范围内,若恢复,则执行步骤7,若未恢复,则返回步骤5,EVR储能设备持续工作; [0028] 步骤7:执行EVR储能设备退出策略,完成EVR响应控制。 [0029] 优选的,所述步骤202中,事件触发器所触发的事件包括A类事件以及B类事件,其中:A类事件为机组受波动引起一定程度的有功功率出力降低,通过启动EVR控制策略来维持系统的正常运行,无需人工介入;B类事件为机组受强冲击或干扰,在启动EVR控制策略的同时,需要对受干扰机组进行检测和故障排查,以免冲击进一步扩大,造成不可挽回的结果。 [0030] 优选的,所述步骤202中,在[1,0]内以0.01为固定步长取功率波动系数的不同值,则有下表: [0031] [0032] 所述事件触发器依据上表,基于功率波动系数αG,i触发对应类型的事件。 [0033] 优选的,所述步骤7中,为降低EVR储能设备退出时对系统电压的影响,采用以固定步长ke=‑0.1*PEVR,i,ref逐渐降低EVR储能设备功率的退出策略,当EVR储能设备有功功率指令值PEVR,i,ref降为0时,该EVR储能设备退出EVR响应控制。 [0034] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果: [0035] (1)本发明设计建立基于事件驱动的电压响应控制方法,通过对系统机组节点进行事件干扰系数预设定、针对预想事件系统有功缺额计算和计及储能设备功率裕度的功率分配优化组成的在线决策优化环节,减缓了系统受事件干扰时因机组一次调节能力不足而导致的母线电压波动,提升了船舶电力系统的稳定性。 [0036] (2)本发明在设计功率分配优化环节,以SOC正常工作状态为边界条件进行设计,同时也考虑了EVR储能设备的功率裕度,避免了EVR储能设备的过度充放电,延长了EVR储能设备的使用寿命。附图说明 [0037] 图1为本发明设计的EVR架构示意图; [0038] 图2为本发明设计的EVR控制方案流程图; [0039] 图3为本发明具体实施例中的船舶直流电力系统结构示意图; [0040] 图4为机组跳闸场景下EVR响应曲线; [0041] 图5为机组跳闸场景下EVR储能设备功率变化曲线。 具体实施方式[0042] 下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 [0043] 本发明建立了基于事件驱动的电压响应(EVR)控制方法,其架构如图1所示,控制方案流程如图2所示。本发明利用PMU的同步高速采集特性,对船舶电网的关键节点及装置进行数据采集,基于预想事件干扰的功率缺额估计环节对机组节点进行预想事件干扰下功率波动系数的设计,然后根据系统内的有功不平衡估算出功率缺额,并形成事件触发表。基于估算出的功率缺额对EVR储能设备进行功率分配优化,在考虑储能设备工作条件及状态的前提下设计功率分配优化算法。通过设计退出策略,降低EVR储能设备退出时对系统电压的影响,完成EVR控制。 [0044] 具体而言,本发明公开的一种基于事件驱动的船舶直流电网电压调节方法包括以下步骤: [0045] 步骤1:实时监测船舶电网运行数据。 [0046] 设定系统的低压减载阈值Uu,并利用PMU实时监测系统的母线电压Ud、各机组节点的有功功率PG,m、各负载节点的有功功率PL,l和各EVR储能设备有功功率出力PEVR,n,其中,m为系统的机组节点个数,l为系统的负载节点个数,n为系统的EVR储能设备台数。 [0047] 步骤2:在线地进行功率缺额估计,即EVR需求功率PEVR,req估计,具体包括以下步骤: [0048] 步骤201:若母线电压Ud受事件扰动低于低压减载阈值Uu时,触发减载动作,代表EVR储能设备已达最大出力功率,根据公式(1)计算EVR储能设备最大功率出力PEVR,max: [0049] [0050] 式(1)中,PEVR,max为EVR储能设备最大功率出力,PEVR,max,i为第i台EVR储能设备最大出力功率,n为系统的EVR储能设备台数。则有:PEVR,req=PEVR,max。 [0051] 若母线电压Ud受事件扰动未低于低压减载阈值Uu时,未触发低压减载动作,事件扰动体现在机组出力变化和负载变化,EVR需求功率PEVR,req则为系统内有功功率不平衡,根据公式(2)计算预设事件干扰下的功率缺额: [0052] [0053] 式(2)中,ΔPG为系统的机组节点有功功率之和,ΔPL为系统的负载节点有功功率之和,αG,i为预设事件下第i个机组节点的功率波动系数,PG,i为第i个机组节点当前有功功率,PL,i为第i个负载节点当前有功功率。 [0054] 不失一般性,机组节点受事件干扰的表现通常为出力降低至离网,故αG,i设定范围为1(未受干扰)~0(离网)。 [0055] 步骤202:进行基于功率波动系数预设定的事件触发器设计。 [0056] 为实现能量调控的精细化管理,本发明以定步长功率波动系数0.01为预设事件干扰进行设计,对于第i个机组节点的功率波动系数αG,i,有下表1: [0057] 表1基于功率波动系数αG,i预设定的事件触发表 [0058] [0059] 表1中,定义A类事件为机组受波动引起一定程度的有功功率出力降低,通过启动EVR控制策略来维持系统的正常运行,无需人工介入。定义B类事件为机组受强冲击或干扰,在启动EVR控制策略的同时,需要对受干扰机组进行检测和故障排查,以免冲击进一步扩大,造成不可挽回的结果。例如,若αG,i为0.51,则对于第i个机组节点而言,触发A类事件。 [0060] 步骤3:根据步骤201计算得到的EVR需求功率PEVR,req,在线地进行计及储能设备功率裕度的功率分配优化计算,具体包括以下步骤: [0061] 为防止EVR储能设备的过度充放电、延长使用寿命,本发明以EVR储能设备荷电状态(state of charge,SOC)的10%~90%为边界条件进行设计。根据公式(3)放电和公式(4)充电对各EVR储能设备有功功率出力目标值进行计算 [0062] [0063] [0064] 式(3)、(4)中,PEVR,i,ref为第i台EVR储能设备有功功率出力指令值,PEVR,i,0为第i台EVR储能设备有功功率出力当前状态采集值,SOCi为第i台EVR储能设备荷电状态,PEVR,E,i为第i台EVR储能设备额定有功功率。 [0065] 步骤4:由事件触发器判断系统内是否需要启动EVR控制策略,若存在,则执行步骤5;若不存在,则返回步骤1,持续监测系统状态。 [0066] 步骤5:EVR储能设备根据步骤3,也就在线优化策略环节得到的功率分配指令进行响应动作。 [0067] 步骤6:判断母线电压Ud是否恢复到稳定范围内,若恢复,则执行步骤7,若未恢复,则返回步骤5,EVR储能设备持续工作。 [0068] 根据GBT 35719‑2017船舶中压直流电力系统通用要求,直流电压波动范围应为±10%。因此,当EVR控制策略启动且母线电压Ud恢复到±10%后,持续监测Ud来判断系统是否稳定在范围内。 [0069] 步骤7:执行EVR储能设备退出策略,完成EVR响应控制。 [0070] 为降低EVR储能设备退出时对系统电压的影响,采用以固定步长ke=‑0.1*PEVR,i,ref逐渐降低EVR储能设备功率的退出策略,当EVR储能设备有功功率指令值PEVR,i,ref降为0时,该EVR储能设备退出EVR响应控制。 [0071] 为了便于理解本发明的控制方案,以下结合图3、图4和图5对本发明的控制方案进行进一步阐述。 [0072] 图3为本发明具体实施例中的船舶直流电力系统结构示意图,由左右舷母线、跨接母线、发电机组(G1~G4)、负载区域(L1~L6)及EVR储能设备(EVR1~EVR6)组成,节点及装置参数如表2所示。 [0073] 表2具体实施例中节点及装置参数 [0074]名称 额定有功功率(MW) 名称 额定有功功率(MW) G1 15 L5 15 G2 15 L6 15 G3 15 EVR1 5 G4 15 EVR2 5 L1 5 EVR3 5 L2 5 EVR4 5 L3 10 EVR5 5 L4 10 EVR6 5 [0075] 图4和图5分别为设定机组跳闸场景下EVR响应曲线和EVR储能设备功率变化曲线。设定t=1s时由于G2跳闸触发事件,且L3负载增加5MW,因此系统内有功不平衡为20MW,即PEVR,req=20。此时EVR储能设备状态如表3所示。 [0076] 表3t=1s时EVR储能设备状态参数 [0077]设备 SOCi PEVR,i,0(MW) EVR1 0.05 0.25 EVR2 0.06 0.3 EVR3 0.12 0.6 EVR4 0.13 0.65 EVR5 0.07 0.35 EVR6 0.04 0.2 [0078] 根据公式(3)可进行功率分配优化,得到EVR储能设备优化指令和对应SOC值如表4。 [0079] 表4功率分配优化后的指令值和SOC值 [0080]设备 PEVR,i,ref(MW) SOCi EVR1 3.5 0.7 EVR2 3.34 0.67 EVR3 3.42 0.68 EVR4 3.43 0.69 EVR5 3.35 0.67 EVR6 3.31 0.66 [0081] 由图5和功率分配优化结果可以看出,本发明计及储能设备功率裕度的功率分配优化让状态更好的EVR储能设备承担更多的功率输出,避免了过度使用或者集中使用某一台或几台设备,确保了每一台EVR储能设备的正常工作状态。 |